Теории Technicolor — это модели физики за пределами Стандартной модели , которые рассматривают нарушение электрослабой калибровочной симметрии , механизм, посредством которого W- и Z-бозоны приобретают массу. Ранние теории Technicolor были смоделированы на основе квантовой хромодинамики (КХД), «цветной» теории сильного ядерного взаимодействия , которая и вдохновила их название.
Вместо введения элементарных бозонов Хиггса для объяснения наблюдаемых явлений были введены модели техниколор для динамической генерации масс для W- и Z-бозонов посредством новых калибровочных взаимодействий . Хотя эти взаимодействия асимптотически свободны при очень высоких энергиях, они должны стать сильными и ограничивающими (и, следовательно, ненаблюдаемыми) при более низких энергиях, которые были экспериментально исследованы. Этот динамический подход является естественным и позволяет избежать проблем квантовой тривиальности и проблемы иерархии Стандартной модели.
Однако с момента открытия бозона Хиггса в CERN LHC в 2012 году первоначальные модели в значительной степени исключены. Тем не менее, остается возможность, что бозон Хиггса является составным состоянием. [1]
Для того чтобы получить массы кварков и лептонов , модели техниколор или составные модели Хиггса должны быть «расширены» дополнительными калибровочными взаимодействиями. В частности, при моделировании на основе КХД расширенные модели техниколор были оспорены экспериментальными ограничениями на нейтральный ток, изменяющий аромат , и прецизионные электрослабые измерения . Конкретные расширения динамики частиц для бозонов техниколор или составных бозонов Хиггса неизвестны.
Многие исследования техниколор сосредоточены на изучении сильно взаимодействующих калибровочных теорий, отличных от КХД, чтобы обойти некоторые из этих проблем. Особенно активная структура - это "ходячий" техниколор, который демонстрирует почти конформное поведение, вызванное инфракрасной фиксированной точкой с силой чуть выше необходимой для спонтанного нарушения хиральной симметрии . Может ли ходьба происходить и приводить к согласию с точными электрослабыми измерениями, изучается с помощью непертурбативного моделирования решетки . [2]
Эксперименты на Большом адронном коллайдере открыли механизм, ответственный за нарушение электрослабой симметрии, а именно бозон Хиггса с массой приблизительно125 ГэВ/ c2 ; [3] [4] [5] такая частица в общем случае не предсказывается моделями техниколор. Однако бозон Хиггса может быть составным состоянием, например, построенным из верхних и антиверхних кварков, как в теории Бардина–Хилла–Линднера. [ 6] Составные модели Хиггса обычно решаются инфракрасной фиксированной точкой верхнего кварка и могут потребовать новой динамики при чрезвычайно высоких энергиях, таких как верхний цвет .
Механизм нарушения электрослабой калибровочной симметрии в Стандартной модели взаимодействий элементарных частиц остается неизвестным. Нарушение должно быть спонтанным , что означает, что лежащая в основе теория точно проявляет симметрию (поля калибровочных бозонов безмассовы в уравнениях движения), но решения (основное состояние и возбужденные состояния) — нет. В частности, физические калибровочные бозоны W и Z становятся массивными. Это явление, при котором бозоны W и Z также приобретают дополнительное состояние поляризации, называется «механизмом Хиггса». Несмотря на точное согласие электрослабой теории с экспериментом при доступных на данный момент энергиях, необходимые ингредиенты для нарушения симметрии остаются скрытыми, еще не обнаруженными при более высоких энергиях.
Простейший механизм нарушения электрослабой симметрии вводит одно сложное поле и предсказывает существование бозона Хиггса . Обычно бозон Хиггса является «неестественным» в том смысле, что квантово-механические флуктуации производят поправки к его массе, которые поднимают ее до таких высоких значений, что она не может играть ту роль, для которой была введена. Если только Стандартная модель не рушится при энергиях менее нескольких ТэВ, массу Хиггса можно поддерживать малой только путем тонкой настройки параметров.
Technicolor обходит эту проблему, выдвигая гипотезу о новом калибровочном взаимодействии, связанном с новыми безмассовыми фермионами. Это взаимодействие асимптотически свободно при очень высоких энергиях и становится сильным и ограничивающим, когда энергия уменьшается до электрослабого масштаба 246 ГэВ. Эти сильные силы спонтанно нарушают хиральные симметрии безмассовых фермионов, некоторые из которых слабо калибруются как часть Стандартной модели. Это динамическая версия механизма Хиггса. Электрослабая калибровочная симметрия, таким образом, нарушается, производя массы для W- и Z-бозонов.
Новое сильное взаимодействие приводит к появлению множества новых составных короткоживущих частиц при энергиях, доступных на Большом адронном коллайдере (БАК). Эта структура естественна, поскольку нет элементарных бозонов Хиггса и, следовательно, нет тонкой настройки параметров. Массы кварков и лептонов также нарушают электрослабые калибровочные симметрии, поэтому они тоже должны возникать спонтанно. Механизм для включения этой особенности известен как расширенный техниколор. Техниколор и расширенный техниколор сталкиваются с рядом феноменологических проблем, в частности, с проблемами нейтральных токов, изменяющих аромат , прецизионных электрослабых тестов и массы верхнего кварка . Модели Техниколор также не предсказывают в общем случае бозоны типа Хиггса, такие легкие, как125 ГэВ/ c2 ; такая частица была обнаружена в ходе экспериментов на Большом адронном коллайдере в 2012 году. [ 3] [4] [5] Некоторые из этих проблем можно решить с помощью класса теорий, известных как «ходячий техниколор».
Technicolor — это название, данное теории нарушения электрослабой симметрии новыми сильными калибровочными взаимодействиями, характерный масштаб энергии которых Λ TC является самим слабым масштабом, Λ TC ≈ F EW ≡ 246 ГэВ . Руководящий принцип technicolor — «естественность»: базовые физические явления не должны требовать тонкой настройки параметров в лагранжиане, который их описывает. То, что составляет тонкую настройку, в некоторой степени субъективно, но теория с элементарными скалярными частицами, как правило, очень тонко настроена (если только она не суперсимметрична ). Квадратичная расходимость в массе скаляра требует корректировки части в , где M bare — это обрезание теории, масштаб энергии, на котором теория изменяется некоторым существенным образом. В стандартной электрослабой модели с M bare ~ 10 15 ГэВ (шкала масс великого объединения) и с массой бозона Хиггса M physical = 100–500 ГэВ масса настраивается по крайней мере на часть в 10 25 .
Напротив, естественная теория нарушения электрослабой симметрии является асимптотически свободной калибровочной теорией с фермионами в качестве единственных полей материи. Калибровочная группа техниколор G TC часто предполагается как SU( N TC ). Основываясь на аналогии с квантовой хромодинамикой (КХД), предполагается, что существует один или несколько дублетов безмассовых «технифермионов» Дирака, преобразующихся векторно в соответствии с одним и тем же комплексным представлением G TC , . Таким образом, существует киральная симметрия этих фермионов, например, SU( N f ) L ⊗ SU( N f ) R , если все они преобразуются в соответствии с одним и тем же комплексным представлением G TC . Продолжая аналогию с КХД, бегущая калибровочная связь α TC ( μ ) запускает спонтанное нарушение киральной симметрии, технифермионы приобретают динамическую массу, и в результате возникает ряд безмассовых бозонов Голдстоуна . Если технифермионы преобразуются под действием [SU(2) ⊗ U(1)] EW как левосторонние дублеты и правосторонние синглеты, три линейные комбинации этих голдстоуновских бозонов связываются с тремя электрослабыми калибровочными токами.
В 1973 году Джекив и Джонсон [7] и Корнуолл и Нортон [8] изучали возможность того, что (не векторное) калибровочное взаимодействие фермионов может разрушить себя; т. е. быть достаточно сильным, чтобы образовать бозон Голдстоуна, связанный с калибровочным током. Используя абелевы калибровочные модели, они показали, что если такой бозон Голдстоуна образуется, он «съедается» механизмом Хиггса, становясь продольной компонентой теперь уже массивного калибровочного бозона. Технически, поляризационная функция Π ( p 2 ), появляющаяся в пропагаторе калибровочного бозона,
развивает полюс при p 2 = 0 с вычетом F 2 , квадратом константы распада бозона Голдстоуна, и калибровочный бозон приобретает массу M ≈ g F . В 1973 году Вайнштейн [9] показал, что составные бозоны Голдстоуна, чьи фермионы преобразуются «стандартным» образом под действием SU(2) ⊗ U(1), генерируют слабые массы бозонов
Это стандартное модельное соотношение достигается с элементарными бозонами Хиггса в электрослабых дублетах; оно проверено экспериментально с точностью более 1%. Здесь g и g ′ являются калибровочными связями SU(2) и U(1) и определяют слабый угол смешивания.
Важная идея нового сильного калибровочного взаимодействия безмассовых фермионов в электрослабом масштабе F EW, приводящего к спонтанному нарушению его глобальной киральной симметрии, подгруппа SU(2) ⊗ U(1) которой слабо калибруется, была впервые предложена в 1979 году Вайнбергом . [ 10] [11] [12] Этот «техниколорный» механизм естественен, поскольку не требует тонкой настройки параметров.
Элементарные бозоны Хиггса выполняют еще одну важную задачу. В Стандартной модели кварки и лептоны обязательно безмассовые, поскольку они преобразуются под действием SU (2) ⊗ U(1) как левосторонние дублеты и правосторонние синглеты. Дублет Хиггса взаимодействует с этими фермионами. Когда он развивает свое вакуумное ожидание, он передает это электрослабое нарушение кваркам и лептонам, давая им их наблюдаемые массы. (В общем случае фермионы с электрослабым собственным состоянием не являются массовыми собственными состояниями, поэтому этот процесс также индуцирует матрицы смешивания, наблюдаемые в слабых взаимодействиях с заряженным током.)
В техниколор что-то еще должно генерировать массы кварков и лептонов. Единственная естественная возможность, избегающая введения элементарных скаляров, состоит в том, чтобы увеличить G TC , чтобы позволить технифермионам связываться с кварками и лептонами. Эта связь индуцируется калибровочными бозонами расширенной группы. Картина, таким образом, заключается в том, что существует большая калибровочная группа «расширенного техниколора» (ETC) G ETC ⊃ G TC, в которой технифермионы, кварки и лептоны живут в тех же представлениях . На одном или нескольких высоких масштабах Λ ETC , G ETC распадается на G TC , и кварки и лептоны появляются как TC-синглетные фермионы. Когда α TC ( μ ) становится сильным на масштабе Λ TC ≈ F EW , образуется фермионный конденсат . (Конденсат — это ожидаемое значение вакуума билинейного технифермиона . Оценка здесь основана на наивном размерном анализе кваркового конденсата в КХД , который, как ожидается, будет правильным по порядку величины.) Затем переходы могут происходить через динамическую массу технифермиона путем испускания и повторного поглощения бозонов ETC, массы которых M ETC ≈ g ETC Λ ETC намного больше, чем Λ TC . Кварки и лептоны приобретают массы, приблизительно определяемые как
Здесь — технифермионный конденсат, перенормированный в масштабе масс бозона ETC,
где γ m ( μ ) — аномальная размерность технифермиона, билинейная в масштабе μ . Вторая оценка в уравнении (2) зависит от предположения, что, как это происходит в КХД, α TC ( μ ) становится слабой недалеко от Λ TC , так что аномальная размерность γ m там мала. Расширенный техниколор был введен в 1979 году Димопулосом и Сасскиндом [13] и Эйхтеном и Лейном [14] . Для кварка с массой m q ≈ 1 ГэВ и с Λ TC ≈ 246 ГэВ можно оценить Λ ETC ≈ 15 ТэВ. Следовательно, предполагая, что , M ETC будет по крайней мере такой большой.
В дополнение к предложению ETC для масс кварков и лептонов, Эйхтен и Лейн заметили, что размер представлений ETC, требуемый для генерации всех масс кварков и лептонов, предполагает, что будет более одного электрослабого дублета технифермионов. [14] Если это так, то будет больше (спонтанно нарушенных) киральных симметрий и, следовательно, больше бозонов Голдстоуна , чем съедается механизмом Хиггса. Они должны приобрести массу в силу того факта, что дополнительные киральные симметрии также явно нарушены взаимодействиями стандартной модели и взаимодействиями ETC. Эти «псевдо-бозоны Голдстоуна» называются технипионами, π T . Применение теоремы Дашена [15] дает для вклада ETC в их массу
Второе приближение в уравнении (4) предполагает, что . Для F EW ≈ Λ TC ≈ 246 ГэВ и Λ ETC ≈ 15 ТэВ этот вклад в M π T составляет около 50 ГэВ. Поскольку взаимодействия ETC генерируют и связывание технипионов с парами кварков и лептонов, можно ожидать, что связи будут хиггсовскими; т. е. примерно пропорциональными массам кварков и лептонов. Это означает, что технипионы, как ожидается, будут преимущественно распадаться на максимально тяжелые пары и .
Возможно, самым важным ограничением на структуру ETC для генерации массы кварка является то, что взаимодействия ETC, вероятно, будут вызывать процессы нейтрального тока, изменяющие аромат, такие как μ → e + γ , K L → μ + e , и взаимодействия, которые вызывают и смешивание. [14] Причина в том, что алгебра токов ETC, участвующих в генерации, подразумевает и токи ETC, которые, будучи записаны в терминах массовых собственных состояний фермионов, не имеют оснований сохранять аромат. Самое сильное ограничение исходит из требования, чтобы взаимодействия ETC, опосредующие смешивание, вносили меньший вклад, чем Стандартная модель. Это подразумевает эффективный Λ ETC больше 1000 ТэВ. Фактический Λ ETC может быть несколько уменьшен, если присутствуют факторы угла смешивания, подобные CKM. Если эти взаимодействия нарушают CP, как это вполне может быть, ограничение от ε -параметра заключается в том, что эффективный Λ ETC > 10 4 ТэВ. Такие огромные масштабы масс ETC подразумевают крошечные массы кварков и лептонов и вклад ETC в M π T не более нескольких ГэВ, что противоречит результатам поиска LEP π T в точке Z 0 . [ необходимо разъяснение ]
Расширенный техниколор — очень амбициозное предложение, требующее, чтобы массы кварков и лептонов и углы смешивания возникали из экспериментально доступных взаимодействий. Если существует успешная модель, она не только предскажет массы и смешивания кварков и лептонов (и технипионов), но и объяснит, почему существует три семейства каждого из них: именно они вписываются в представления ETC q , , и T . Неудивительно, что построение успешной модели оказалось очень сложным.
Поскольку массы кварков и лептонов пропорциональны билинейному технифермионному конденсату, деленному на квадрат шкалы масс ETC, их крошечных значений можно избежать, если конденсат будет усилен выше оценки слабого α TC в уравнении (2).
В 1980-х годах для этого было разработано несколько динамических механизмов. В 1981 году Холдом предположил, что если α TC ( μ ) эволюционирует к нетривиальной фиксированной точке в ультрафиолете с большой положительной аномальной размерностью γ m для , то могут возникнуть реалистичные массы кварков и лептонов с Λ ETC, достаточно большой, чтобы подавить смешивание, вызванное ETC. [16] Однако не было построено ни одного примера нетривиальной ультрафиолетовой фиксированной точки в четырехмерной калибровочной теории. В 1985 году Холдом проанализировал теорию техниколора, в которой предполагалась «медленно меняющаяся» α TC ( μ ). [17] Его внимание было сосредоточено на разделении масштабов хирального нарушения и ограничения , но он также отметил, что такая теория может улучшить и, таким образом, позволить повысить масштаб ETC. В 1986 году Акиба и Янагида также рассмотрели увеличение масс кварков и лептонов, просто предположив, что α TC постоянна и сильна вплоть до шкалы ETC. [18] В том же году Ямаваки, Бандо и Матумото снова представили ультрафиолетовую фиксированную точку в неасимптотически свободной теории для увеличения конденсата технифермионов. [19]
В 1986 году Аппельквист, Карабали и Виджевардхана обсудили усиление фермионных масс в асимптотически свободной теории техницвета с медленно бегущей или «гуляющей» калибровочной связью. [20] Медленность возникла из-за эффекта экранирования большого числа технифермионов, при этом анализ проводился с помощью двухпетлевой теории возмущений. В 1987 году Аппельквист и Виджевардхана исследовали этот сценарий ходьбы дальше. [21] Они перенесли анализ на три петли, отметили, что прогулка может привести к степенному усилению конденсата технифермиона, и оценили результирующие массы кварка, лептона и технипиона. Усиление конденсата возникает из-за того, что связанная масса технифермиона уменьшается медленно, примерно линейно, как функция его масштаба перенормировки. Это соответствует аномальной размерности конденсата γ m в уравнении. (3) приближаясь к единству (см. ниже). [22]
В 1990-х годах появилась более ясная идея, что ходьба естественным образом описывается асимптотически свободными калибровочными теориями, в которых в инфракрасном диапазоне доминирует приближенная фиксированная точка. В отличие от спекулятивного предложения ультрафиолетовых фиксированных точек, фиксированные точки в инфракрасном диапазоне, как известно, существуют в асимптотически свободных теориях, возникающих в двух петлях в бета-функции при условии, что количество фермионов N f достаточно велико. Это было известно с момента первого двухпетлевого вычисления в 1974 году Касвеллом. [23] Если N f близко к значению, при котором теряется асимптотическая свобода, результирующая инфракрасная фиксированная точка является слабой, параметрического порядка и надежно доступной в теории возмущений. Этот предел слабой связи был исследован Бэнксом и Заксом в 1982 году. [24]
Связь с фиксированной точкой α IR становится сильнее по мере уменьшения N f от . Ниже некоторого критического значения N fc связь становится достаточно сильной (> α χ SB ), чтобы спонтанно нарушить киральную симметрию безмассовых технифермионов . Поскольку анализ обычно должен выходить за рамки двухпетлевой теории возмущений, определение бегущей связи α TC ( μ ), ее значение фиксированной точки α IR и сила α χ SB , необходимая для нарушения киральной симметрии, зависят от конкретной принятой схемы перенормировки. Для ; т. е. для N f чуть ниже N fc , эволюция α TC (μ) регулируется инфракрасной фиксированной точкой , и она будет медленно эволюционировать (блуждать) для диапазона импульсов выше масштаба нарушения Λ TC . Чтобы преодолеть -подавление масс кварков первого и второго поколения, участвующих в смешивании, этот диапазон должен простираться почти до их масштаба ETC, . Коэн и Джорджи утверждали, что γ m = 1 является сигналом спонтанного нарушения хиральной симметрии, т. е. что γ m ( α χ SB ) = 1. [22] Следовательно, в области блуждающего α TC γ m ≈ 1 и, из уравнений (2) и (3), массы легких кварков увеличиваются приблизительно на .
Идея о том, что α TC ( μ ) гуляет для большого диапазона импульсов, когда α IR лежит чуть выше α χ SB, была предложена Лейном и Раманой. [25] Они создали явную модель, обсудили последовавшее за этим хождение и использовали его в своем обсуждении феноменологии гуляющего техниколора на адронных коллайдерах. Эта идея была разработана в некоторых деталях Аппельквистом, Тернингом и Виджевардханой. [26] Объединив пертурбативное вычисление инфракрасной неподвижной точки с приближением α χ SB на основе уравнения Швингера-Дайсона , они оценили критическое значение N fc и исследовали полученную электрослабую физику. С 1990-х годов большинство обсуждений гуляющего техниколора находятся в рамках теорий, которые, как предполагается, доминируют в инфракрасном диапазоне с приближенной неподвижной точкой. Были исследованы различные модели, некоторые с технифермионами в фундаментальном представлении калибровочной группы, а некоторые с использованием более высоких представлений. [27] [28] [29] [30] [31] [32]
Возможность того, что конденсат техниколор может быть улучшен сверх того, что обсуждалось в литературе по ходьбе, также недавно рассматривалась Люти и Окуи под названием «конформный техниколор». [33] [34] [35] Они предполагают инфракрасно-стабильную фиксированную точку, но с очень большой аномальной размерностью для оператора . Остается увидеть, можно ли это реализовать, например, в классе теорий, которые в настоящее время изучаются с использованием решеточных методов.
Описанное выше улучшение для блуждающего техниколора может оказаться недостаточным для получения измеренной массы верхнего кварка даже для масштаба ETC всего в несколько ТэВ. Однако эта проблема может быть решена, если эффективная связь четырех технифермионов, возникающая в результате обмена калибровочными бозонами ETC, будет сильной и настроенной чуть выше критического значения. [36] Анализ этой возможности сильного ETC основан на модели Намбу–Йона–Лазинио с дополнительным (техниколорным) калибровочным взаимодействием. Массы технифермионов малы по сравнению со шкалой ETC (граница эффективной теории), но почти постоянны для этого масштаба, что приводит к большой массе верхнего кварка. Полностью реалистичной теории ETC для всех масс кварков, включающей эти идеи, пока не разработано. Соответствующее исследование было проведено Миранским и Ямаваки. [37] Проблема с этим подходом заключается в том, что он требует некоторой степени тонкой настройки параметров , что противоречит руководящему принципу естественности техниколора.
Большая часть тесно связанных работ, в которых Хиггс является составным состоянием, состоящим из топ-кварков и антитоп-кварков, — это конденсат топ-кварков [38] , топ-цветные и техниколорные модели с использованием топ-цветов [39] , в которых новые сильные взаимодействия приписываются топ-кварку и другим фермионам третьего поколения.
Теория решеточной калибровки — это непертурбативный метод, применимый к сильно взаимодействующим техниколорным теориям, позволяющий проводить первопринципное исследование блуждающей и конформной динамики. В 2007 году Кэттералл и Саннино использовали теорию решеточной калибровки для изучения теорий калибровки SU (2) с двумя разновидностями фермионов Дирака в симметричном представлении, [40] найдя доказательства конформности, которые были подтверждены последующими исследованиями. [41]
По состоянию на 2010 год ситуация для калибровочной теории SU (3) с фермионами в фундаментальном представлении не столь ясна. В 2007 году Аппельквист, Флеминг и Нил сообщили о доказательствах того, что нетривиальная инфракрасная фиксированная точка развивается в таких теориях, когда есть двенадцать ароматов, но не когда их восемь. [42] Хотя некоторые последующие исследования подтвердили эти результаты, другие сообщили о других выводах, в зависимости от используемых методов решетки, и консенсус пока не достигнут. [43]
Дальнейшие исследования решеток, изучающие эти вопросы, а также рассматривающие последствия этих теорий для точных измерений электрослабых взаимодействий , ведутся несколькими исследовательскими группами. [44]
Любая структура физики за пределами Стандартной модели должна соответствовать точным измерениям электрослабых параметров. Ее последствия для физики на существующих и будущих высокоэнергетических адронных коллайдерах, а также для темной материи Вселенной также должны быть изучены.
В 1990 году феноменологические параметры S , T и U были введены Пескиным и Такеучи для количественной оценки вкладов в электрослабые радиационные поправки из физики за пределами Стандартной модели. [45] Они имеют простую связь с параметрами электрослабого хирального лагранжиана. [46] [47] Анализ Пескина–Такеучи был основан на общем формализме для слабых радиационных поправок, разработанном Кеннеди, Линн, Пескиным и Стюартом, [48] и существуют также альтернативные формулировки. [49]
Параметры S , T и U описывают поправки к пропагаторам электрослабых калибровочных бозонов из физики за пределами Стандартной модели . Их можно записать в терминах поляризационных функций электрослабых токов и их спектрального представления следующим образом:
где включена только новая, выходящая за рамки стандартной модели физика. Величины рассчитываются относительно минимальной Стандартной модели с некоторой выбранной референтной массой бозона Хиггса , взятой в диапазоне от экспериментальной нижней границы 117 ГэВ до 1000 ГэВ, где ее ширина становится очень большой. [50] Чтобы эти параметры описывали доминирующие поправки к Стандартной модели, масштаб масс новой физики должен быть намного больше, чем M W и M Z , а связь кварков и лептонов с новыми частицами должна быть подавлена относительно их связи с калибровочными бозонами. Это касается техниколора, пока самые легкие техновекторные мезоны, ρ T и a T , тяжелее 200–300 ГэВ. Параметр S чувствителен ко всей новой физике в масштабе ТэВ, в то время как T является мерой эффектов слабого нарушения изоспина. Параметр U , как правило, бесполезен; большинство теорий новой физики, включая теории техниколора, вносят в него незначительный вклад.
Параметры S и T определяются путем глобальной подгонки под экспериментальные данные, включая данные Z -полюса из LEP в ЦЕРНе , измерения массы топ-кварка и W в Фермилабе и измеренные уровни нарушения атомной четности. Результирующие ограничения на эти параметры приведены в Обзоре свойств частиц. [50] Предполагая, что U = 0, параметры S и T малы и, по сути, соответствуют нулю:
где центральное значение соответствует массе Хиггса 117 ГэВ, а поправка к центральному значению при увеличении массы Хиггса до 300 ГэВ указана в скобках. Эти значения накладывают жесткие ограничения на теории, выходящие за рамки стандартной модели, когда соответствующие поправки могут быть надежно вычислены.
Параметр S , оцененный в теориях типа КХД -техниколор, значительно больше экспериментально допустимого значения. [45] [49] Расчет был выполнен в предположении, что спектральный интеграл для S определяется самыми легкими резонансами ρ T и a T или масштабированием эффективных параметров Лагранжа из КХД. Однако в блуждающем техниколоре физика в масштабе ТэВ и за его пределами должна существенно отличаться от физики теорий типа КХД-техниколор. В частности, векторные и аксиально-векторные спектральные функции не могут определяться только самыми низколежащими резонансами. [51] [52] Неизвестно, являются ли более высокие энергетические вклады в башней идентифицируемых состояний ρ T и a T или гладким континуумом. Было высказано предположение, что партнеры ρ T и a T могут быть более близкими к вырожденным в блуждающих теориях (приблизительное удвоение четности), что снижает их вклад в S . [53] Расчеты решеток проводятся или планируются для проверки этих идей и получения надежных оценок S в теориях ходьбы. [2] [54]
Ограничение на параметр T создает проблему для генерации массы топ-кварка в рамках ETC. Усиление от ходьбы может позволить связанному масштабу ETC быть таким большим, как несколько ТэВ, [26], но - поскольку взаимодействия ETC должны быть сильно нарушены слабым изоспином, чтобы обеспечить большое расщепление массы сверху-снизу - вклад в параметр T , [55], а также скорость распада , [56] могут быть слишком большими.
Ранние исследования обычно предполагали существование только одного электрослабого дублета технифермионов или одного техни-семейства, включающего по одному дублету каждого из цветных триплетных техникварков и цветных синглетных технилептонов (всего четыре электрослабых дублета). [57] [58] Количество N D электрослабых дублетов определяет константу распада F, необходимую для создания правильной электрослабой шкалы, как F = F EW ⁄ √ N D = 246 ГэВ ⁄ √ N D . В минимальной модели с одним дублетом три голдстоуновских бозона (технипионы, π T ) имеют константу распада F = F EW = 246 ГэВ и поглощаются электрослабыми калибровочными бозонами. Наиболее доступным коллайдерным сигналом является рождение посредством аннигиляции в адронном коллайдере спина один и их последующий распад на пару продольно поляризованных слабых бозонов и . При ожидаемой массе 1,5–2,0 ТэВ и ширине 300–400 ГэВ такие ρ T было бы трудно обнаружить на LHC. Модель с одним семейством имеет большое количество физических технипионов с F = F EW ⁄ √ 4 = 123 ГэВ. [59] Существует набор соответственно маломассивных цветовых синглетных и октетных технивекторов, распадающихся на пары технипионов. Ожидается, что π T распадутся на максимально тяжелые пары кварков и лептонов. Несмотря на их меньшие массы, ρ T шире, чем в минимальной модели, и фоны для распадов π T, вероятно, будут непреодолимыми на адронном коллайдере.
Эта картина изменилась с появлением шагающего техниколора. Шагающая калибровочная связь возникает, если α χ SB лежит чуть ниже значения фиксированной точки IR α IR , что требует либо большого количества электрослабых дублетов в фундаментальном представлении калибровочной группы, например, либо нескольких дублетов в многомерных представлениях TC. [27] [60] В последнем случае ограничения на представления ETC обычно подразумевают и другие технифермионы в фундаментальном представлении. [14] [25] В любом случае существуют технипионы π T с константой распада . Это подразумевает , что самые легкие технивекторы, доступные на LHC – ρ T , ω T , a T (с I G J P C = 1 + 1 −− , 0 − 1 −− , 1 − 1 ++ ) – имеют массы значительно ниже a ТэВ. Класс теорий со многими технифермионами и поэтому называется низкомасштабным техниколором. [61]
Второе следствие ходьбы техниколор касается распадов техниадронов со спином один. Поскольку массы технипионов (см. уравнение (4)), ходьба усиливает их гораздо больше, чем массы других техниадронов. Таким образом, весьма вероятно, что легчайший M ρ T < 2 M π T и что двух- и трех -π T каналы распада легких технивекторов закрыты. [27] Это дополнительно подразумевает, что эти технивекторы очень узкие. Их наиболее вероятные двухчастичные каналы - это , W L W L , γ π T и γ W L . Связь легчайших технивекторов с W L пропорциональна F ⁄ F EW . [62] Таким образом, все их скорости распада подавляются степенями или постоянной тонкой структуры, давая общую ширину от нескольких ГэВ (для ρ T ) до нескольких десятых ГэВ (для ω T и T ).
Более спекулятивное следствие блуждающего техниколора мотивировано рассмотрением его вклада в S -параметр. Как отмечено выше, обычные предположения, сделанные для оценки S TC, недействительны в теории блуждания. В частности, спектральные интегралы, используемые для оценки S TC, не могут доминировать только по самым низколежащим ρ T и a T и, если S TC должен быть малым, массы и связи слабого тока ρ T и a T могли бы быть более близкими, чем в КХД.
Феноменология низкомасштабного техниколора, включая возможность более удвоенного по четности спектра, была развита в набор правил и амплитуд распада. [62] Объявление от апреля 2011 года об избытке пар струй, произведенных в связи с W- бозоном, измеренным на Теватроне [63], было интерпретировано Эйхтеном, Лейном и Мартином как возможный сигнал технипиона низкомасштабного техниколора. [64]
Общая схема низкомасштабного техниколора теряет смысл, если предел на превышает примерно 700 ГэВ. LHC должен быть в состоянии обнаружить его или исключить. Поиски там, включающие распады на технипионы и затем на тяжелые кварковые струи, затруднены фоном от производства; его скорость в 100 раз больше, чем на Теватроне. Следовательно, открытие низкомасштабного техниколора на LHC опирается на полностью лептонные каналы конечного состояния с благоприятными отношениями сигнала к фону: , и . [65]
Теории Technicolor естественным образом содержат кандидатов на темную материю . Почти наверняка можно построить модели, в которых самый низколежащий технибарион, связанное состояние техницвет-синглет технифермионов, достаточно стабилен, чтобы пережить эволюцию Вселенной. [50] [66] [67] [68] [69] Если теория Technicolor является низкомасштабной ( ), масса бариона должна быть не более 1–2 ТэВ. Если нет, то она может быть намного тяжелее. Технибарион должен быть электрически нейтральным и удовлетворять ограничениям на его распространенность. Учитывая ограничения на спин-независимые сечения темной материи-нуклонов из экспериментов по поиску темной материи ( для интересующих масс [70] ), он, возможно, также должен быть электрослабо нейтральным (слабый изоспин T 3 = 0). Эти соображения предполагают, что «старые» кандидаты на темную материю Technicolor могут быть труднопроизведены на LHC.
Другой класс кандидатов на роль цветной темной материи, достаточно легких, чтобы быть доступными на Большом адронном коллайдере, был представлен Франческо Саннино и его коллегами. [71] [72] [73] [74] [75] [76] Эти состояния представляют собой псевдоголдстоуновские бозоны, обладающие глобальным зарядом, который делает их устойчивыми к распаду.